Relatório IC PIBIC ASTRA – Desenvolvimento de

Transcrição

Instituto de Aeronáutica e Espaço
Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica
Relatório Parcial
Título do projeto de pesquisa:
Desenvolvimento de Aplicativo para Aquisição e
Visualização de Dados de Telemetria
Bolsista:
Victor Hugo Fernandes Breder
Orientador(a):
Alison de Oliveira Moraes
Período a que se refere o relatório:
Agosto de 2015 a janeiro de 2016
Resumo
O projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um aplicativo para o Laboratório de
Aquisição e Processamento de Dados (APDT) do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE).
Com esse aplicativo pretende-se adquirir e visualizar dados de telemetria em campo. O
projeto faz uso de um decomutador e sincronizador de bits controlado via USB, que capta
dados de um cabo com sinais de telemetria. Assim, o projeto permite que um notebook em
campo, fazendo uso do dispositivo USB e do aplicativo desenvolvido, forneça visualização
em tempo real das medidas obtidas por telemetria. O aplicativo foi utilizado com sucesso em
ensaios de teste no Laboratório APDT e na Operação São Lourenço em novembro de 2015.
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1. Introdução
Telemetria engloba o processo no qual medições realizadas por sensores embarcados são
transmitidas para uma estação distante em solo, aonde os dados obtidos podem ser mostrados,
gravados e analisados. A aplicação dessa técnica é essencial para o desenvolvimento de
foguetes no IAE, já que é necessário obter dados do foguete em tempo real e a uma distância
segura durante ensaios e em operações de lançamento.
Devido à necessidade de enviar várias medidas em um único meio transmissor, os dados
devem ser enviados em sequência, constituindo a técnica de comutação. Para isso, no Plano
de Medição é definido um quadro que descreve, entre outros parâmetros, a ordem na qual o
sistema de telemetria embarcado deve enviar os dados.
Figura 1 – Medições realizadas pelo sistema embarcado são enviadas em série de acordo com quadro.
O quadro ilustrado é constituído por 6 subquadros.
Um quadro é constituído por vários subquadros. Cada subquadro inicia com o SFID, que é o
número correspondente ao subquadro, e termina com o Frame Sync (Palavra de Sincronia),
que é um código reservado para indicar o final de um subquadro. As demais palavras
correspondem a medidas, que são representadas como números inteiros. Um quadro é
configurado com uma quantidade de subquadros, uma quantidade de palavras por subquadro,
uma quantidade de bits por palavra e uma certa disposição das medidas.
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Durante o processo de transmissão, o sinal PCM é inevitavelmente distorcido devido às
condições ambientais. Assim, o papel do Sincronizador de Bits é reconstruir o sinal PCM,
produzindo um pulso com amplitude binária e distribuído em intervalos discretos para uso em
sistemas digitais.
Figura 2 – Distorção do sinal PCM pelo ambiente e reconstrução do sinal pelo Sincronizador de Bit.
Em seguida, o sistema de telemetria em solo, configurado com o mesmo quadro, é
responsável por realizar a decomutação, isto é, receber cada dado em série e reconstruir o
quadro associando as medidas de volta às grandezas correspondentes. O software em solo
também deve oferecer uma interface amigável para visualização dos dados através de
gráficos e tabelas.
Dessa maneira, um problema encontrado em operações como testes e lançamentos de
foguetes no IAE é o difícil acesso às medidas dos sensores obtidas via telemetria.
Normalmente, é necessário requisitar o valor do parâmetro desejado por rádio e aguardar a
resposta de outra pessoa com acesso a um software de telemetria.
Portanto, o aplicativo objetiva solucionar esse problema oferecendo visualização dos dados
de telemetria diretamente em campo utilizando apenas um notebook e um dispositivo USB,
oferecendo, assim, respostas em tempo real para ações tomadas pelos técnicos que operam o
ensaio ou o foguete.
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2. Materiais
Foram utilizados os seguintes equipamentos disponibilizados pelo Laboratório APDT,
equivalentes aos que serão usados em campo:
 Apollotek APK8763 – USB PCM Decommutator and Bit Synchroniser
 Notebook Toshiba i7 4 GB de RAM com Windows 7
O Laboratório também forneceu os seguintes equipamentos para gerar sinais PCM, com a
finalidade de testar o aplicativo:
 Apollotek APK8764-2 – USB PCM Simulator
 Notebook Dell Inspiron XPSM1210 com Windows XP (para operação do simulador
de sinal PCM)
 Gravador de Dados de Telemetria em Estado Sólido (para reprodução de dados PCM
gravados durante ensaios)
Além disso, foram utilizados os seguintes programas disponíveis na Internet:
 Eclipse – IDE para desenvolvimento em Java
 Sublime Text 3 – Editor para desenvolvimento em C++
 GCC – Compilador para C++
Figura 3 – Decomutador de Sincronizador de Bits USB Apollotek APK8763
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A escolha do Decomutador e Sincronizador de Bits Apollotek se deveu ao fato do dispositivo ser
compacto e leve, permitindo o uso em campo, e poder ler o sinal PCM de um cabo coaxial operando
unicamente através do cabo USB. Assim, como a alimentação do dispositivo é unicamente via USB,
evita-se problemas relacionados com aterramento.
Além disso, o dispositivo já havia sido adquirido pelo Laboratório APDT, mas não era utilizado
devido ao fato que o software de telemetria fornecido pelo fabricante funcionava apenas com
Windows XP, enquanto que os notebooks disponíveis utilizam Windows 7.
A linguagem C++ foi escolhida devido ao melhor interfaceamento com as DLLs que controlam o
dispositivo USB, utilizando o padrão Microsoft STDCALL. A linguagem Java foi escolhida devido à
sua portabilidade e suporte nativo a interface gráfica.
Além disso, tendo em vista o uso a longo prazo, o software desenvolvido será validado para funcionar
bem em computadores com Windows 7 e Windows 8.
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3. Metodologia
Figura 4 – Diagrama da visão geral do funcionamento do aplicativo.
O aplicativo deverá ser desenvolvido para atuar em conjunto com o decomutador e
sincronizador de bits USB, Apollotek APK8763. Este dispositivo receberá um cabo com sinal
de telemetria PCM e será controlado pelo aplicativo através de um cabo USB.
Para controlar o dispositivo USB, o fabricante Apollotek forneceu drivers e DLLs. Para lidar
com essas instruções de baixo nível, será desenvolvido um módulo em C++ responsável por
fazer chamadas à DLL e retornar os quadros obtidos em formato de texto pela saída padrão.
Finalmente, para lidar com a visualização de dados com uma interface gráfica, será utilizada
a linguagem Java. Assim, o programa desenvolvido em Java receberá a saída em texto do
módulo em C++ e mostrará os dados na tela do computador na forma de gráficos e tabelas em
uma interface configurável.
O programa em C++ será desenvolvido com o Sublime Text 3 e compilado com o GCC como
executável em Windows. O programa em Java será desenvolvido no Eclipse, com o uso do
módulo WindowBuilder para a elaboração de janelas e da biblioteca gráfica AWT para
geração de gráficos e tabelas.
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4. Resultados
4.1. Funcionalidades do aplicativo
Figura 5 – Interface configurável de visualização de dados.
A Figura 5 ilustra a interface principal do aplicativo, que é utilizada para a visualização dos
dados de telemetria. Essa interface é facilmente configurável para atender às necessidades do
ensaio de teste ou operação de lançamento. São oferecidos os seguintes elementos para
visualização dos valores de parâmetros na tela:
 Gráfico – Mostra um gráfico do valor do parâmetro ao longo do tempo. Também
exibe numericamente o valor mínimo, valor máximo e média móvel das últimas
amostras.
 Tabela – Mostra o valor numérico atual de vários parâmetros, podendo mostrar uma
barra horizontal representando o valor do parâmetro.
 Botão – Representa o estado de um relê. Caso o relê esteja ativado, apresenta um
fundo verde, e caso esteja desativado, apresenta um fundo vermelho.
 Registro de eventos – Armazena mensagens de texto com o tempo que eventos
ocorreram. Os eventos são indicados por mudança do estado de relês.
 GPS – Representa longitude, latitude e altitudes obtidos via GPS.
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Figura 6 – Janela de configuração do sinal de telemetria
Através da janela mostrada na Figura 6, é possível configurar os parâmetros do sinal de
telemetria, informando informações como tamanho do quadro, bits por palavra e taxa de bits.
Esses parâmetros permitem que o dispositivo USB Apollotek adquira corretamente os dados
do sinal PCM. O sucesso na configuração do steam é indicado no próprio dispositivo USB
por um LED verde indicando “Lock”.
Figura 7 – Janela de configuração do quadro
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A janela indicada pela Figura 7 permite informar ao aplicativo como o quadro que está sendo
recebido através do stream se encontra configurado. Isso possibilita que cada medição isolada
obtida seja associado com o parâmetro correto para posterior vizualização em tela.
Figura 8 – Janela de configuração de parâmetros
Cada medição recebida através do sinal de telemetria é um número inteiro. Assim, a janela
ilustrada pela Figura 8 permite a configuração dos coeficientes do polinômio que realiza a
transformação do numero inteiro recebido para um número decimal com significado físico.
Também é possível selecionar o formato do parâmetro como número binário, que é uma
maneira melhor de representar estados de relé.
4.2. Uso em campo
O aplicativo foi utilizado com sucesso em ensaios de teste no Laboratório APDT. O
programa ofereceu resultados imediatos para as ações de técnicos enquanto realizavam
alterações no componente do foguete que estava sendo testado. Além disso, na operação São
Lourenço, o aplicativo foi utilizado nas preparações de lançamento.
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5. Próximas etapas
Na continuação do projeto é possível a aprimoração do aplicativo com novas funções como:
 Gravação dos dados de telemetria captados em uma arquivo em disco
 Playback de dados gravados em disco para análise a após o ensaio
 Exibição de uma mapa para melhor visualização dos dados de GPS
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6. Conclusões
O aplicativo desenvolvido atende com sucesso às necessidades do Laboratório APDT e se
mostrou muito útil em ensaios de teste e no lançamento da operação São Lourenço. Assim,
foi desenvolvido um aplicativo capaz de visualizar dados de telemetria em tempo real e de
maneira portátil para uso em campo. Tendo tudo isso em vista, conclui-se que o projeto foi
um sucesso.
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Referências
Telemetry Tutorial - L-3 Telemetry-West. Disponível em:
<www.storm.com/telemetry_tutorial/telemetry_tutorial.pdf>. Acessado em 19 de fevereiro de
2016.
Apollotek APK8763 USB Bit Synchroniser and Decommutator. Disponível em:
<http://www.apollotek.com/Bit%20Sync&DecomData%20Sheet241108_1.pdf>. Acessado
em 19 de fevereiro de 2016.
Gamma, E. Helm, R. Johnson, R. Vlissides, J. Design Patterns: Elements of Reusable ObjectOriented Software. Addison-Wesley, Reading (1994).
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